ДНК любого живого организма, от бактерии до человека, содержит большое число своеобразных «генетических паразитов» — свободных участков ДНК, которые могут перемещаться из хромосомы в хромосому внутри клетки.
Что это за «вирусные» гены
По своей природе они чем-то похожи на вирусы. Открывшая эти участки в 1950-х годах американский ученый, лауреат Нобелевской премии Барбара МакКлинток назвал их транспозонами (от английского transposable elements — перемещающиеся элементы). Сегодня известно, что человеческий геном на 44% состоит из транспозонов, геном популярной среди генетиков мушки-дрозофилы — на 20%, а пшеницы — на целых 85%.
Принято считать, что транспозоны вредны для генома, так как их бесконтрольное размножение вносит разрывы в ДНК, нарушает работу здоровых генов и провоцирует мутации. Однако в ходе эволюции возникали случаи, когда организмы сумели обуздать «вредные» вирусные элементы — путем их закрепления и обращения в собственные «полезные» гены. Этот процесс получил название молекулярное одомашнивание, или доместикация.
Например, гены, произошедшие от транспозонов, участвуют в выработке антител — особых молекул, которые вырабатываются иммунной системой для распознавания и нейтрализации чужеродных агентов. На данный момент открыты далеко не все доместицированные транспозоны, а их функции изучены не до конца.
Новое открытие
Российские ученые из Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта (ИМБ РАН), Института биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН и Московского физико-технического института (МФТИ) опубликовали масштабную работу в престижном журнале BMC Biology, рассказали Наука Mail в ИМБ РАН.
Исследователи провели системный анализ геномов 43 видов мушек-дрозофил, в ходе которого искали гены, произошедшие от транспозонов суперсемейства Tc1/Mariner, но навсегда утратившие способность перемещаться и начавшие выполнять жизненно важные функции для организма-хозяина.
В ходе скрининга были выявлены пять генов, которые были «одомашнены» из ДНК-транспозонов суперсемейства Tc1/Mariner, три из которых до этого известны не были.
Что выяснили ученые
Главный вывод работы заключается в том, что процесс одомашнивания идет по двум совершенно разным молекулярным путям. Полноценный транспозон изначально имеет две главные части, называемые биологами доменами: относительно безопасный участок для связывания с ДНК, и наиболее «вредный» каталитический домен — своеобразные «молекулярные ножницы», разрезающие ДНК для перемещения транспозонов. Геном хозяина может адаптировать любую из этих частей.
Например, ген CG14478, единственный из найденных, пошел по пути сохранения каталитического домена транспозона. Он потерял изначальную способность связываться с конкретными участками ДНК, теперь участвует в сложной регуляции РНК и хроматина, и, с высокой вероятностью, сохранил способность вносить разрывы в последовательность ДНК.
Ген CG4570, напротив, сохранил от транспозона только способность прикрепляться к ДНК, играя важную роль в процессах клеточного цикла и работе хромосом.
Ученые также обнаружили ген LOC26532114, который встречается только у небольшого количества близкородственных видов (группа Drosophila obscura). Этот ген явно был «одомашнен» сравнительно недавно, т.е. биологи могут прямо сейчас наблюдать, как он внедряется в регуляторные системы организма.
Почему это важно
Результаты исследования наглядно показывают, что одомашнивание генов — это непрерывный конвейер эволюции. Одни участки ДНК были усвоены уже очень давно и отвечают за важнейшие, универсальные для жизни процессы. Другие прямо сейчас «прирастают» к геномам, чтобы тот или иной вид получил нужную адаптацию.
Постоянный конфликт между организмом и его генетическими паразитами заставляет геном адаптироваться и усложнять свою структуру, что в итоге стимулирует всю эволюцию эукариот.
Работа ученых была поддержана грантом РНФ 22−74−10050П.
Ранее Наука Mail рассказывала, как ДНК мыши нарушила базовые законы генетики.
